Микробы и сельское хозяйство

Каково общее значение микробов на нашей планете? Мы видели, что многие микробы приносят человечеству огромный вред, вызывают опустошительные эпидемии, болезни домашних животных, полезных растений, портят пищевые продукты. Может быть, имело бы смысл направить усилия человека на уничтожение всех микробов на земле? Нет, это было бы весьма неправильным. Среди микробов известны многочисленные виды, приносящие человеку большую пользу. Микробы вошли настолько глубоко в многочисленные связи со всем остальным миром живых существ, что жизнь человека, животных и растений оказалась бы совершенно невозможной без участия микробов.

Одной из важнейших функций микробов является разложение органических остатков погибших животных и растений. Разлагая сложные азотистые и углеродистые соединения мёртвого тела, невидимые могильщики превращают их в простейшие соединения, легко усваиваемые зелёными растениями, и тем самым обеспечивают вечный круговорот веществ в природе.

Трупы животных в основном состоят из белковых соединений. Работу по разложению белков выполняют так называемые гнилостные микробы, к которым, кроме бактерий, принадлежат также актиномицеты и некоторые грибы. Гнилостные микробы разлагают или расщепляют белки до простейших соединений – аммиака, воды и углекислоты. При этом обычно выделяются некоторые дурно пахнущие продукты: сероводород, индол, скатол. Образование дурно пахнущих продуктов свидетельствует о далеко зашедшем процессе гниения. Поэтому‑то обычно мы определяем испортившийся, загнивший пищевой продукт по его противному запаху. Гнилостные микробы очень широко распространены в природе. Поэтому, где бы ни находились пищевые продукты или трупы человека и животных, они везде подвергаются разложению – гниению, если этому благоприятствуют условия температуры и влажности. Но если температура очень низка, то процессы гниения не развиваются. В вечно мёрзлой почве Крайнего Севера Сибири находили совершенно не разложившиеся трупы мамонтов, пролежавшие десятки тысяч лет. В условиях низких температур и отсутствия влаги могут тысячелетиями сохраняться и трупы людей. Нередко в сухих и холодных склепах находят трупы людей, захороненных в давние времена. Вследствие быстрой потери влаги трупы мумифицировались и не подвергались гниению.

Предохраняющее действие низких температур и высушивания применяется и в практической жизни для сохранения пищевых продуктов. Всем известно, что высушенные рыба, мясо, грибы, фрукты могут годами сохраняться, не подвергаясь гниению.

Бывают случаи, что работа гнилостных микробов используется и в технических производствах: при выработке кож шкуры животных намеренно подвергаются гниению (швицеванию). С обработанной таким образом шкуры легко сходит шерсть. Дубление и мягчение кож также связано с работой гнилостных бактерий.

Кроме трупов животных, на поверхности земли каждый год откладывается огромное количество растительных остатков: солома, опавшие листья, стебли, сломанные ветви и стволы деревьев, мёртвые корни. Основную массу растительных остатков составляют уже не белковые соединения, а целлюлоза – клетчатка, представляющая собой углеродистое соединение. Клетчатка входит в состав толстых оболочек растительных клеток. Отдельные клетки прочно соединены между собой в трудно расщепляемые тяжи особым межклеточным веществом. Это межклеточное вещество состоит из слизистой массы, так называемого пектина.

И эти остатки сравнительно быстро подвергаются разложению, но работу эту производят другие группы микробов. Клетчатка разлагается целлюлозоразлагающими бактериями и грибами, а пектиновые вещества разрушаются некоторыми анаэробными и аэробными бактериями.

Разлагающие целлюлозу бактерии были впервые открыты известным советским микробиологом академиком В. Л. Омелянским (рис. 36).

Рис. 36. В. Л. Омелянский

Работами отечественных учёных – Омелянского, Виноградского, Исаченко, Имшенецкого – было установлено, что целлюлозоразлагающие бактерии чрезвычайно широко распространены в природе. При полном разложении клетчатка превращается в простейшие соединения – метан, водород, углекислоту. Но в почве разложение растительных остатков идёт медленно, причём образуются продукты неполного разложения, так называемый перегной, или гумус. Перегной играет большую роль в обеспечении плодородия почв. Перегной склеивает почвенные комочки и придаёт им прочность. Поэтому почва приобретает мелкокомковатую структуру, устойчивую против размывания водой. В такой почве задерживается влага, и растение легко высасывает из неё воду и растворённую в ней пищу.

Таким образом, в процессе разложения растительных остатков почва улучшает свои качества, приобретает структуру, повышающую её плодородие, а разлагающийся дальше перегной снабжает растение минеральной пищей.

Бактерии, разлагающие межклеточное вещество – пектин, имеют, кроме того, огромное значение в процессе технической обработки льняного волокна, из которого готовится льняная пряжа.

Можно смело сказать, что возможности изготовлять льняные ткани мы целиком обязаны в наше время деятельности этих полезных бактерий. В стебле льна льняные волокна склеены пектиновым веществом. Чтобы освободить волокна от стебля и сделать их пригодными для пряжи, производят так называемую мочку льна: льняные стебли закладывают в ямы, наполненные водой, – мочила. Находившиеся на поверхности стеблей бактерии через устьица попадают вместе с током воды внутрь стебля, усиленно размножаются и производят свою разрушительную, но полезную для человека работу по разложению пектина. После окончания процесса лубяные волокна льна легко отделяются от костры, высушиваются и становятся пригодными для изготовления льняной пряжи. Иногда в обычных условиях мочки льна в мочилах, где, кроме пектиноразлагающих бактерий, находится много других разнообразных, в том числе и вредных микробов, процесс может развиваться неправильно, и волокно получается плохого качества. Чтобы избежать этого, мочка льна теперь часто производится в заводских условиях, в специальных цементных баках, которые загружаются хорошо отсортированным стеблем. В баки добавляется лабораторная разводка микробов, особенно активно разлагающих пектин. Такие бактериальные закваски из чистых культур пектиноразлагающих бактерий можно применять и в колхозных мочилах. Мочка льна на чистых культурах бактерий значительно ускоряет процесс, повышает выход льняного волокна и улучшает его качество.

Мы видим таким образом, что микробы, разлагающие животные и растительные остатки, производят чрезвычайно полезную работу, необходимую для жизни растений. Разлагая сложные соединения, они превращают их в простейшие минеральные вещества, легко усваиваемые зелёными растениями, и тем самым возвращают природе запасы углерода и азота, затраченные на формирование живой материи.

Полезная деятельность микробов не ограничивается работой гнилостных, целлюлозо‑ и пектиноразлагающих бактерий. Как мы уже говорили, при разложении белков образуется аммиак, представляющий собой простейшее соединение азота и водорода. Как это доказал академик Д. Н. Прянишников, соли аммиака усваиваются растениями, но еще более пригодным источником питания для растений является селитра – соль азотной кислоты, которая ценится как прекрасный землеудобрительный препарат.

Долгое время человечество не знало, как происходит образование селитры в почве. Еще в середине XVIII века немецкая Академия наук объявила премию за решение этого практически важного вопроса. Но только в 1889 г. была раскрыта тайна происхождения селитры. Мы обязаны этим открытием одному из величайших микробиологов – русскому учёному Сергею Николаевичу Виноградскому (род. в 1856 г.) (рис. 37).

Рис. 37. С. Н. Виноградский

С. Н. Виноградский доказал, что селитра образуется из аммиачных солей под влиянием особой группы бактерий, так называемых нитрифицирующих (от слова «нитрум» – селитра). С. Н. Виноградский, применив разработанную им оригинальную методику, о которой мы говорили в главе 3 этой книги, установил, что в почвах живут мельчайшие бактерии, окисляющие аммиак в азотную кислоту, которая нейтрализуется солями кальция и магния и превращается в селитру. Нитрифицирующие бактерии оказались самыми непритязательными в смысле источников питания микробами: они пользуются для этой цели чисто минеральными соединениями – аммиаком, являющимся источником азота, и углекислотой воздуха, используемой для построения углеродистых соединений.

Нитрифицирующие бактерии образуют в почве огромные количества селитры. Летом в поверхностных слоях черноземной почвы может образоваться более 1500 килограммов селитры на 1 гектар. Селитра эта легко исчезает из почвы вследствие потребления её зелёными растениями, вымывания влагой, а также вследствие деятельности другой группы микробов, так называемых денитрифицирующих бактерий, которые разлагают селитру до свободного азота, нанося этим некоторый вред сельскому хозяйству и снижая плодородие почв.

Микробы помогают растениям черпать необходимые им источники азота не только из аммиака и селитры. Давно было замечено, что бобовые растения – горох, вика, клевер – могут прекрасно развиваться в почвах, в которые не вносились добавочные азотсодержащие удобрения. Больше того, оказалось, что бобовые растения даже обогащают почву азотистыми соединениями. Поэтому после выращивания бобовых на истощённой земле получается высокий урожай и других растений. В чём же причина такого необычного поведения бобовых растений? Еще в XVII веке учёные наблюдали на корнях бобовых растений небольшие желвачки – клубеньки и считали их проявлением заболевания растений. В 1886 г. русский ботаник академик М. С. Воронин доказал, что в клетках клубеньков находится огромное количество мельчайших телец, чрезвычайно похожих на бактерии. В дальнейшем была выделена чистая культура этих телец, действительно оказавшихся бактериями. Бактерии были названы клубеньковыми. Оказалось, что, поселясь в клетках корней бобовых растений, бактерии так действуют на корневую ткань, что клетки корневой ткани начинают усиленно делиться и образуют клубенёк. Но самое главное свойство клубеньковых бактерий – их способность усваивать атмосферный азот и превращать его в вещество своего тела. Промежуточные продукты усвоения азота бактериями используются бобовыми растениями. Поэтому бобовые растения не нуждаются в азотистых удобрениях. Бобовые растения при помощи клубеньковых бактерий накапливают огромные запасы усвояемого азота. По данным академика Д. Н. Прянишникова, клевер, например, накапливает в течение года до 150–160 килограммов азота на 1 гектар, а люцерна – до 300 килограммов на 1 гектар.

Здесь перед нами один из случаев столь распространённых в природе явлений взаимопомощи между двумя организмами – растением и микробом. Растение получает от бактерий азотистые соединения, а бактерии питаются выделениями растений. Эта взаимопомощь настолько тесна, что, по мнению некоторых учёных, клубеньковые бактерии, будучи изолированными от растений в чистую культуру, не в состоянии усваивать атмосферный азот. Для этих опытов был применён следующий весьма оригинальный метод: клубеньковые бактерии выращивались в атмосфере, содержавшей радиоактивный азот. Эти так называемые меченые атомы азота могут быть легко найдены в любой части растений при помощи физических методов, учитывающих радиоактивные элементы. Если меченый азот воздуха усваивается клетками, то он может быть обнаружен в бактериальной культуре. Но в лабораторной культуре клубеньковых бактерий не удалось найти радиоактивного азота. Клубеньковые бактерии в чистой культуре, вне бобового растения, по‑видимому, не усваивали атмосферного азота.

Если клубеньковые бактерии помогают бобовым растениям усваивать азот воздуха, то, следовательно, чем лучше и активнее будет развиваться культура бактерий в клубеньках растения, тем выше будет урожай. Отсюда уже давно возникла идея: нельзя ли искусственно заразить бобовые растения наиболее активной культурой клубеньковых бактерий и тем самым повысить урожай таких ценных сельскохозяйственных культур, как горох, бобы, соя, клевер?

Первые такие опыты были поставлены еще в царской России в 1911–1912 гг. Но только при советской власти, в условиях крупного, колхозного и совхозного сельского хозяйства эти опыты могли дать практический эффект. В настоящее время препараты клубеньковых бактерий широко используются в Советском Союзе, как весьма действенное бактериальное удобрение. Этот бактериальный препарат называется нитрагин и представляет собой простерилизованную землю, в которой размножилась культура высокоактивных клубеньковых бактерий. Для каждого вида бобовых растений готовится соответствующая, приспособившаяся к развитию именно в этом виде культура клубеньковых. Перед посевом семян они смешиваются с нитрагином и небольшим количеством воды, тщательно перелопачиваются и немедленно высеваются. Обработка семян нитрагином повышает урожай бобовых растений (гороха, чечевицы, клевера) от 11 до 45 процентов, стоимость же этого способа в десятки раз ниже стоимости азотистых минеральных удобрений.

Но не только клубеньковые бактерии обладают способностью усваивать азот атмосферы и тем самым повышать урожай сельскохозяйственных культур.

В 1893 г. С. Н. Виноградским был открыт анаэробный микроб – клостридий, свободно живущий в почве и усваивающий газообразный азот. В 1901 г. учёные выделили другой микроорганизм, обладающий той же функцией, но развивающийся в присутствии кислорода, – аэробную бактерию азотобактер. Азотобактер строит белки своего тела, пользуясь азотом воздуха, а энергию, необходимую для этого процесса, получает, окисляя углеродистые соединения – сахар, крахмал, спирты. Отмершие клетки азотобактера разлагаются гнилостными микробами, выделяющими при этом аммиак, окисляются нитрифицирующими бактериями до азотной кислоты, а ее соли в виде селитры используются зелёными растениями. Хотя азотобактер фиксирует меньше атмосферного азота, чем клубеньковые бактерии, все же он способен накопить до 30–40 килограммов азота на 1 гектар.

Давно было замечено, что в Крыму табаки дают хороший урожай в течение ряда лет без внесения дополнительных удобрений. Заинтересовавшись причиной этого явления, академик С. Костычев и А. Шелоумова нашли, что на корнях табака прижилось очень много клеток азотобактера, которые снабжают растения азотистыми соединениями. Отсюда и родилась идея повышения урожая некоторых сельскохозяйственных культур путём заражения их корневой системы азотобактером. С 1937 г. по предложению А. Шелоумовой в Советском Союзе в массовом масштабе начато изготовление нового бактериального удобрения – азотобактерина. Выращенная в лаборатории культура азотобактера смешивается с торфом или перегноем и в таком виде запаковывается в ящики и рассылается в колхозы. В день посева семена увлажняются, тщательно перелопачиваются вместе с азотобактерином и высеваются. Азотобактер поселяется на корневой системе растения и значительно повышает урожай сельскохозяйственной культуры. Особенно удачные результаты получились с овощами. Так, урожай томатов увеличивается на 26 процентов, капусты – на 34 процента, огурцов – на 14 процентов. Прибавка урожая картофеля составила 15–20 процентов. Особенно эффективен азотобактерин, если он применяется в свежеприготовленном виде. Поэтому наиболее рационально было бы изготовлять его на месте – в колхозах. Колхозники ряда областей уже освоили приготовление азотобактерина и значительно повышают свои урожаи. Применяя азотобактерин собственного изготовления, в колхозе «Новая жизнь» Горьковской области собрали урожай ранней капусты, обладавшей крупными и тугими вилками, в количестве 360 центнеров на 1 гектар, та же капуста без азотобактерина дала только 220 центнеров.

Кроме азотистых соединений, большую роль в питании растений играют также соединения фосфора. К сожалению, фосфор находится в почве большей частью в виде сложных, не усваиваемых растением соединений. И здесь на помощь растению приходят микробы. Расщепляя эти соединения, бактерии освобождают фосфорную кислоту, которая в виде растворимых солей хорошо усваивается растением. Такие бактерии были получены в виде чистых культур в Советском Союзе. В настоящее время делаются попытки применить эти бактерии в качестве нового бактериального землеудобрительного препарата, называемого фосфоробактерин. Многочисленные опыты показывают, что фосфоробактерин является эффективным средством повышения урожайности зерновых культур.

Мы рассмотрели деятельность микробов в почве. Мы убедились, что микробы имеют огромное значение для сельского хозяйства. Изучение роли микробов в почвах позволяет нам правильно направить их деятельность и поставить их на службу человеку. Вместе с тем перед нами вырисовывается ведущая роль микробов в общем круговороте азотистых соединений в природе.

В этом круговороте можно различить несколько стадий, каждая из которых осуществляется специально приспособленной группой микроорганизмов. Вначале отмершие животные и растения разлагаются гнилостными и некоторыми другими микробами до простейших соединений. Образовавшийся при этом аммиак под влиянием нитрифицирующих микробов превращается в соли азотной кислоты – селитру. Селитра потребляется растениями, но может также разложиться денитрифицирующими бактериями до свободного азота. Но и свободный азот не теряется безвозвратно: клубеньковые и свободно живущие азотфиксирующие бактерии усваивают его и опять‑таки превращают в соединения, используемые растениями.

Такого же типа превращение вещества, осуществляемое микроорганизмами, наблюдается и с соединениями, содержащими другие необходимые для жизни растения элементы – фосфор, серу, железо, углерод. Особенно интересны по своему практическому значению превращения углеродистых соединений, на которых основан целый ряд промышленных производств пищевых продуктов. Но об этом – в следующей главе.